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    Les scientifiques développent un métamatériau pour des applications en magnétisme, une alternative à l'électronique conventionnelle

    Illustration. Cristal Magnonique. Crédit :@tsarcyanide / MIPT

    Des physiciens de Russie et d'Europe ont démontré la possibilité réelle d'utiliser des systèmes supraconducteurs/ferromagnétiques pour créer des cristaux magnoniques, qui sera au cœur des dispositifs à ondes de spin à venir dans l'ère de l'électronique post-silicium. L'article a été publié dans la revue Sciences avancées .

    Magnonics étudie les possibilités d'utiliser des ondes de spin pour transmettre et traiter des informations. Alors que la photonique traite des photons et des ondes électromagnétiques, la magnétique se concentre sur les ondes de spin, ou magnons, qui sont des oscillations harmoniques de l'orientation des moments magnétiques. Dans les matériaux ferromagnétiques, les moments magnétiques des électrons, c'est à dire., leurs tours, sont alignés dans un champ magnétique. Les ondes d'alignement de spin observées dans un système magnétique sont appelées ondes de spin.

    La Magnonics est considérée comme un domaine de recherche prometteur dans l'électronique à ondes post-silicium, comme les ondes de spin ont un certain nombre d'avantages par rapport, dire, photons micro-ondes. Par exemple, les ondes de spin peuvent être contrôlées par un champ magnétique externe. Micro-ondes, qui sont essentiellement des ondes électromagnétiques, avoir une longueur d'onde moyenne d'un centimètre, alors que les ondes de spin dans la même gamme de fréquences micro-ondes ont des longueurs d'onde de micromètres. C'est pourquoi ces ondes contrôlables peuvent être utilisées pour construire des micro-dispositifs très compacts pour les signaux micro-ondes.

    Les cristaux magnéniques sont les systèmes les plus fondamentaux (parfois appelés blocs de construction) requis pour construire un appareil qui fonctionne à l'aide de signaux d'ondes de spin. Ces cristaux ont un large éventail d'applications potentielles et seront au cœur des filtres fréquentiels, coupleurs de caillebotis, guides d'ondes, et appareils magnétiques, qui sont des analogues de transistors.

    Les auteurs de cette étude ont testé leur hypothèse de base, qui était la suivante :Un cristal magnénique peut-il être créé à l'aide d'un système hybride ferromagnétique/supraconducteur ? Le ferromagnétisme et la supraconductivité sont deux phénomènes antagonistes. Dans un supraconducteur, les spins des électrons liés dans une paire de Cooper sont orientés dans des directions opposées, alors que dans les ferroaimants, ils ont tendance à s'aligner dans la même direction. Les scientifiques ont traditionnellement essayé d'influencer les propriétés supraconductrices avec le ferromagnétisme.

    "Les deux dernières années, nous avons réussi à obtenir l'inverse. D'abord, nous examinons les systèmes ferromagnétiques et voyons si leurs propriétés ferromagnétiques peuvent être modifiées d'une manière ou d'une autre à l'aide de supraconducteurs. C'est pourquoi il a suscité un intérêt mondial, " explique le Dr Igor Golovchanskiy, co-auteur de l'étude et chercheur au Laboratoire des phénomènes quantiques topologiques dans les systèmes supraconducteurs du MIPT. "Initialement, Magnonics n'incluait que des analyses à température ambiante. Par conséquent, hybridation de ferroaimants avec des supraconducteurs, qui n'existent pas à température ambiante, était hors de question. Outre, le ferromagnétisme a traditionnellement été considéré comme "plus fort" que la supraconductivité et, Par conséquent, ne peut pas être influencé par cela. Notre laboratoire étudie les systèmes cryogéniques, et nous nous sommes fixés comme objectif d'examiner comment les systèmes magnétiques se comportent à des températures cryogéniques lorsqu'ils sont obligés d'interagir avec des supraconducteurs. »

    Le principal résultat de cette recherche est que les scientifiques ont prouvé qu'il était possible de travailler avec des cristaux magnéniques en utilisant le système hybride supraconducteur/ferromagnétique. Les scientifiques ont également observé une structure de bande magnénique particulière dans leur architecture caractérisée par la présence de bandes interdites dans la gamme de fréquences gigahertz.

    Figure 1. Une représentation schématique des ondes de spin traversant le métamatériau et le spectre d'ondes résultant, reflétant les propriétés d'un cristal artificiel Crédit :@tsarcyanide / MIPT

    La recherche a été menée en trois étapes :un échantillon a été fabriqué et mesuré, puis des simulations ont été effectuées. Le système consistait en une structure supraconductrice régulière de niobium (Nb) placée au-dessus d'un film mince de permalloy (Py) ferromagnétique Ni80Fe20.

    Le système a été placé dans un cryostat, et le coefficient de transmission du signal hyperfréquence a été mesuré. Si la valeur était la même que les fréquences fondamentales du système, une absorption de résonance a été observée. C'est ce qu'on appelle la résonance ferromagnétique. Le spectre obtenu montre deux raies, indiquant que la structure périodique consistait en deux zones liées avec des conditions de résonance ferromagnétique alternées. Les propriétés ferromagnétiques ont été modulées au moyen de la structure supraconductrice.

    Au cours de la troisième étape, des "simulations micromagnétiques" ont été réalisées. Cela a aidé les chercheurs à recréer la structure de la bande magnénique, qui est formé de bandes autorisées et interdites avec une géométrie différente.

    Le processus technologique de développement des composants microélectroniques à base de silicium atteint la limite théorique des tailles disponibles. Par conséquent, une nouvelle augmentation de la capacité de calcul, et donc la poursuite de la miniaturisation des composants, nécessite de nouvelles approches. À cet égard, les systèmes supraconducteurs/ferromagnétiques étudiés offrent de bonnes perspectives pour l'électronique ondulatoire, puisque les tailles critiques pour les matériaux supraconducteurs sont inférieures au micromètre. Par conséquent, il est possible de réaliser des éléments supraconducteurs très petits.

    Les auteurs de l'étude pensent que les résultats de leurs recherches seront utilisés dans l'électronique micro-ondes et la magnétique, y compris le domaine de la magnétique quantique. Cependant, la gamme d'applications potentielles est encore limitée car le système ne peut pas survivre à température ambiante.

    L'étude rapportée dans cette histoire est un effort combiné de chercheurs d'un éventail d'institutions :Laboratoire des phénomènes quantiques topologiques dans les systèmes supraconducteurs du MIPT, l'Université nationale des sciences et de la technologie (MISIS), l'Institut de physique des solides de l'Académie des sciences de Russie, Université Nationale de Recherche Nucléaire MEPhI, Université fédérale de Kazan, l'Ecole Supérieure d'Economie, Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), l'Institut MESA+ pour les nanotechnologies, et l'Université de Twente (Pays-Bas).

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